KR20060108648A - Methods and apparatus for optimizing a substrate in a plasma processing system - Google Patents
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Abstract
Description
발명의 배경Background of the Invention
본 발명은 일반적으로 기판 생산 기술에 관한 것이고 구체적으로는 플라즈마 프로세싱 시스템에서 기판을 최적화하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates generally to substrate production techniques and specifically to methods and apparatus for optimizing substrates in a plasma processing system.
기판, 예를 들면, 평면 패널 디스플레이 생산에서 사용되는 것과 같은 유리 패널 또는 반도체 웨이퍼의 프로세싱에서, 종종 플라즈마가 이용된다. 기판 프로세싱 (화학 증기 증착, 플라즈마 강화 화학 증기 증착, 물리 증기 증착 등) 의 부분으로서, 예를 들면, 기판은 복수의 다이들, 또는 사각 영역으로 나뉘고, 이들 각각은 집적 회로가 될 것이다. 이때 기판은 전기 요소를 형성하기 위해 물질이 선택적으로 제거 (에칭) 되고 퇴적 (증착) 되는 일련의 단계에서 프로세싱된다.In the processing of substrates, for example glass panels or semiconductor wafers such as those used in flat panel display production, plasma is often used. As part of the substrate processing (chemical vapor deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition, physical vapor deposition, etc.), for example, the substrate is divided into a plurality of dies, or rectangular regions, each of which will be an integrated circuit. The substrate is then processed in a series of steps where the material is selectively removed (etched) and deposited (deposited) to form an electrical element.
예시적인 플라즈마 프로세스에서, 기판은 에칭 전에 강화 에멀션 (즉, 포토레지스트 마스크와 같은) 박막으로 코팅된다. 이때 강화 에멀션의 영역은 선택적으로 제거되고, 기초 층 부분이 노출된다. 이때 기판은 모노폴라 또는 바이폴라 전극을 포함하는 기판 지지 구조체상에, 척 (chuck) 이라 불리는 플라즈마 프로세싱 챔버에서 위치된다.In an exemplary plasma process, the substrate is coated with a thin film of strengthening emulsion (ie, a photoresist mask) prior to etching. The region of the strengthening emulsion is then selectively removed and the base layer portion is exposed. The substrate is then placed in a plasma processing chamber called a chuck on a substrate support structure comprising a monopolar or bipolar electrode.
이때 적합한 플라즈마 프로세싱 기체 (예를 들면, C4F8, C4F6, CHF3, CH2F3, CF4, CH3F, C2F4, N2, O2, Ar, Xe, He, H2, NH3, SF6, BCl3, Cl2, WF6 등) 는 챔버로 유입되고 인덕션 코일 세트와 같은, 일반적으로 RF 커플링 구조에 결합된, 제 1 RF 에너지 소스에 의해 이온화된다. 또한, 제 2 RF 에너지 소스도 플라즈마와의 바이어스를 생성하고 플라즈마가 플라즈마 프로세싱 시스템으로부터 떨어져 기판을 향하게 하기 위해, 기판에 결합될 수도 있다.Suitable plasma processing gases (e.g., C 4 F 8 , C 4 F 6 , CHF 3 , CH 2 F 3 , CF 4 , CH 3 F, C 2 F 4 , N 2 , O 2 , Ar, Xe, He, H 2 , NH 3 , SF 6 , BCl 3 , Cl 2 , WF 6, etc.) are introduced into the chamber and ionized by a first RF energy source, usually coupled to an RF coupling structure, such as an induction coil set. do. In addition, a second RF energy source may also be coupled to the substrate to create a bias with the plasma and direct the plasma away from the plasma processing system to the substrate.
인덕션 코일은 트랜스포머와 유사한 목적의 디바이스이고, 이는 기본 코일에서 순차적으로 켜지고 꺼지는 전류에 의해 플라즈마 프로세싱 기체에서 시변 전압 및 전위차가 플라즈마를 생성하도록 한다. 공통적인 구성은 챔버의 상부에 평면 코일을 위치시키고, TCPTM (즉, Transformer coupled plasma) 라고도 불린다. 다른 구성은 플라즈마 프로세싱 시스템을 구성하여 솔레노이드 코일이 플라즈마 프로세싱 챔버의 측을 감도록 한다.Induction coils are devices similar in purpose to transformers, which allow time-varying voltages and potential differences in the plasma processing gas to generate plasma by the current being turned on and off sequentially in the base coil. A common configuration is to place a planar coil on top of the chamber, also called TCP TM (ie Transformer coupled plasma). Another configuration constitutes a plasma processing system such that the solenoid coil is wound around the side of the plasma processing chamber.
일반적으로 플라즈마는 부분적으로 이온화된 기체로 구성된다. 플라즈마 방전이 RF 구동되고 미약하게 이온화되기 때문에, 플라즈마 내의 전자들은 이온들과 열 평형 상태에 있지 아니한다. 즉, 중량이 큰 이온들이 배경 기체 (예를 들면, 아르곤 등) 와의 충돌에 의해 에너지를 효율적으로 교환하는 반면, 전자들은 열 에너지를 흡수한다. 전자들이 이온들보다 실질적으로 작은 질량을 갖기 때문에, 전자 열 속도는 이온 열 속도보다 훨씬 크다. 이는 더 빠르게 이동하는 전자들이 플라즈마 프로세싱 시스템 내의 표면으로부터 이탈되어, 실질적으로 플라 즈마와 표면 사이에서 양으로 대전된 이온 외피를 생성하도록 한다. 이때 외피로 들어가는 이온들은 표면으로 가속된다.In general, plasma consists of partially ionized gases. Since the plasma discharge is RF driven and weakly ionized, the electrons in the plasma are not in thermal equilibrium with the ions. That is, while heavy ions efficiently exchange energy by collision with a background gas (eg argon, etc.), electrons absorb thermal energy. Since the electrons have a substantially smaller mass than the ions, the electron heat rate is much greater than the ion heat rate. This allows faster moving electrons to deviate from the surface in the plasma processing system, creating a substantially positively charged ion envelope between the plasma and the surface. The ions entering the envelope are then accelerated to the surface.
낮은 RF 주파수는 플라즈마 이온들이 한 RF 사이클 미만에서 외피를 통과하여, 이온 에너지의 큰 변화를 생성하도록 한다. 또한, 높은 RF 주파수는 플라즈마 이온들이 수 개의 RF 사이클에 거쳐 외피를 통과하도록 하여, 더욱 일정한 이온 에너지 세트를 생성하도록 한다. 높은 주파수는 비슷한 전력 레벨에서 낮은 주파수 신호에 의해 들뜰 때보다 낮은 외피 전압을 야기한다.Low RF frequencies allow plasma ions to pass through the shell in less than one RF cycle, producing a large change in ion energy. In addition, high RF frequencies allow plasma ions to pass through the shell through several RF cycles, creating a more consistent set of ion energies. Higher frequencies cause lower envelope voltages than when lifted by low frequency signals at similar power levels.
RF 소스와 플라즈마 프로세싱 챔버 사이의 결합은 일반적으로 매칭 네트워크이다. 일반적으로, 전송 라인 종단으로부터의 관점에서, 매칭 네트워크는 플라즈마의 복소 임피던스를 RF 생성기의 공칭 출력 임피던스로 변환한다. 예를 들어, 만약 RF 생성기가 2kW 의 출력 전력 (부대 또는 전송 전력이라 불림) 을 전달하고 매칭 네트워크가 적절히 "조정" 되지 않는다면 (예를 들면, 50% 의 반사 전력을 야기한다면), 1kW 의 전력이 RF 생성기로 반사되어 돌아갈 것이다. 이는 단지 1kW 만이 로드 (플라즈마 챔버) 로 전달됨을 의미한다. 고 품질, 낮은 임피던스, (전류 및 임피던스 범위에 대해) 적절한 사이즈의 매칭 네트워크를 갖는 적절히 선택된 길이 전송 라인의 조합은 생성기로부터 플라즈마 챔버로의 최상의 전력 전송을 제공할 수 있다.The coupling between the RF source and the plasma processing chamber is generally a matching network. In general, from a transmission line termination point of view, the matching network converts the complex impedance of the plasma to the nominal output impedance of the RF generator. For example, if an RF generator delivers 2 kW of output power (called a bag or transmit power) and the matching network is not properly "tuned" (eg, causes 50% reflected power), then 1 kW of power. It will reflect back to this RF generator. This means that only 1 kW is delivered to the rod (plasma chamber). The combination of high quality, low impedance, suitably selected length transmission lines with matching networks of appropriate size (for current and impedance ranges) can provide the best power transfer from the generator to the plasma chamber.
이제 도 1 을 참조하면, 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 의 간략화된 도가 도시된다. 일반적으로, 적합한 기체의 세트가 입구 (108) 를 통해 기체 분산 시스템 (122) 으로부터 챔버 (102) 로 유입된다. 정전기 척 (116) 상에 위치 된, 반도체 웨이퍼 또는 유리판과 같은 기판 (114) 의 노출된 영역을 프로세스 (예를 들면, 에칭 또는 증착) 하기 위해, 플라즈마 프로세싱 기체들은 실질적으로 이온화되어 플라즈마 (110) 를 형성한다. 라이너 (112) 와 함께, 상부 챔버 판 (120) 은 플라즈마 (110) 가 기판 (114) 상에 최적으로 포커스되게 한다.Referring now to FIG. 1, a simplified diagram of a
기체 분산 시스템 (122) 은 공통적으로 플라즈마 프로세싱 기체 (예를 들어, C4F8, C4F6, CHF3, CH2F3, CF4, HBr, CH3F, C2F4, N2, O2, Ar, Xe, He, H2, NH3, SF6, BCl3, Cl2, WF6 등) 를 포함하는 압축된 기체 실린더 (124a-f) 로 구성된다. 또한 기체 실린더 (124a-f) 는 로컬 배출 환기를 제공하는 인클로저 (128) 에 의해 보호되기도 한다. 질량 흐름 제어기 (126a-f) 는 공통적으로 반도체 산업에서 사용되어 플라즈마 프로세싱 시스템으로의 기체 질량 흐름을 측정하고 통제하는 완비형 디바이스 (트랜스듀서, 제어 밸브, 및 제어와 신호 프로세싱 전자부품을 포함함) 이다.
인덕션 코일 (131) 은 유전체 윈도우 (104) 에 의해 플라즈마로부터 격리되고, 일반적으로 플라즈마 프로세싱 기체에서 시변 전기 전류를 유도하여 플라즈마 (110) 를 생성한다. 윈도우는 플라즈마 (110) 로부터 인덕션 코일을 보호하고, 생성된 RF 장이 플라즈마 프로세싱 챔버로 관통하게 한다. 또한 리드 (130a-b) 에서 인덕션 코일 (131) 에 결합되는 것은 RF 생성기 (138) 에 결합될 수도 있는 매칭 네트워크 (132) 이다. 전술한 바와 같이, 매칭 네트워크 (132) 는 RF 생성기의 임피던스를 플라즈마 (110) 의 임피던스와 매치시키려 하며, 이는 통상적으 로 13.56 MHz 와 50 ohms 에서 동작한다.
이제 도 2 를 참조하면, TCPTM 인덕션 코일의 간략화된 도가 도시된다. 인덕션 코일은 어플리케이션에 따라서 높은 전도성의 구리관 - 일반적으로 원형, 사각형, 또는 정방형으로부터 제조될 수도 있고, 일정한 사용에 견디기 위해 튼튼해야 한다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 리드 (130a-b) 는 인덕션 코일 (131) 을 매칭 네트워크 (132) 에 결합시키기 위해 사용된다.Referring now to FIG. 2, a simplified diagram of a TCP ™ induction coil is shown. Induction coils may be manufactured from highly conductive copper tubes-generally round, square or square, depending on the application and must be robust to withstand certain uses. As shown in FIG. 1, the
그러나, 챔버 압력 또는 전력 레벨이 변화함에 따라, 매칭 네트워크 및 로드가 함께 불안정해질 수도 있다. 그 결과는 매칭 네트워크가 대응할 수 있는 것보다 빠르게 변화하는 급격한 변동 또는 지터이다. 야기된 전력 전송 불안정성은 매칭 네트워크 및 RF 생성기의 구성요소에 손상을 입힐 뿐만 아니라, 실질적으로 기판의 생산력에 영향을 줄 수 있다.However, as the chamber pressure or power level changes, the matching network and load may become unstable together. The result is a sudden change or jitter that changes faster than the matching network can respond to. The resulting power transfer instability not only damages the components of the matching network and the RF generator, but can also substantially affect the productivity of the substrate.
상술한 관점에서, 플라즈마 프로세싱 시스템에서 기판을 최적화하는 방법 및 장치가 요망된다.In view of the foregoing, a method and apparatus for optimizing a substrate in a plasma processing system is desired.
발명의 개요Summary of the Invention
일 실시형태에서, 본 발명은 플라즈마 프로세싱 시스템에서 반도체 기판을 프로세싱하기 위한 배열 방법에 관한 것이다. 이 방법은 제 1 단자 및 제 2 단자를 갖는 RF 커플링 구조를 제공하는 단계를 포함하며, 제 1 단자는 제 1 전기적 측정 디바이스와 결합되어 있고, 제 2 단자는 제 2 전기적 측정 디바이스와 결합되 어 있다. 또한 이 방법은 제 2 단자에 보상회로를 결합하는 단계를 포함한다. 또한 이 방법은 제 1 전기 측정 디바이스 및 제 2 전기 측정 디바이스로부터 정보를 수신하기 위해 결합되는 피드백 회로를 제공하는 단계를 포함하며, 제 1 단자에서의 제 1 전기적 값과 제 2 단자에서의 제 2 전기적 값 사이의 비를 실질적으로 소정의 값으로 유지하기 위해 피드백 회로의 출력이 사용되어 보상 회로를 제어한다.In one embodiment, the invention is directed to an array method for processing a semiconductor substrate in a plasma processing system. The method includes providing an RF coupling structure having a first terminal and a second terminal, wherein the first terminal is coupled with the first electrical measurement device, and the second terminal is coupled with the second electrical measurement device. There is. The method also includes coupling a compensation circuit to the second terminal. The method also includes providing a feedback circuit coupled to receive information from the first electrical measurement device and the second electrical measurement device, the first electrical value at the first terminal and the second at the second terminal. The output of the feedback circuit is used to control the compensation circuit to maintain the ratio between the electrical values to a substantially predetermined value.
다른 실시형태에서, 본 발명은 플라즈마 프로세싱 시스템에서 반도체 기판을 프로세싱하는 장치에 관한 것이다. 이 장치는 제 1 단자 및 제 2 단자를 갖는 RF 커플링 구조를 제공하는 수단을 포함하며, 제 1 단자는 제 1 전기적 측정 디바이스와 결합되고, 제 2 단자는 제 2 전기적 측정 디바이스와 결합된다. 또한 이 장치는 제 2 단자에 보상회로를 결합하는 수단도 포함한다. 또한 이 장치는 제 1 전기적 측정 디바이스 및 제 2 전기적 측정 디바이스로부터 정보를 수신하기 위해 결합되는 피드백 회로를 제공하는 수단을 포함하며, 제 1 단자에서의 제 1 전기적 값과 제 2 단자에서의 제 2 전기적 값 사이의 비를 실질적으로 소정의 값으로 유지하기 위해 피드백 회로의 출력이 사용되어 보상 회로를 제어한다.In another embodiment, the present invention is directed to an apparatus for processing a semiconductor substrate in a plasma processing system. The apparatus includes means for providing an RF coupling structure having a first terminal and a second terminal, wherein the first terminal is coupled with the first electrical measurement device and the second terminal is coupled with the second electrical measurement device. The device also includes means for coupling the compensation circuit to the second terminal. The apparatus also includes means for providing a feedback circuit coupled to receive information from the first electrical measurement device and the second electrical measurement device, the first electrical value at the first terminal and the second at the second terminal. The output of the feedback circuit is used to control the compensation circuit to maintain the ratio between the electrical values to a substantially predetermined value.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은 이하의 본 발명의 상세한 설명 및 다음의 도면과 결합하여 더욱 상세히 설명될 것이다. These and other features of the present invention will be described in more detail in conjunction with the following detailed description of the invention and the following figures.
도면의 간단한 설명Brief description of the drawings
본 발명은 첨부되는 도면의 도에서 예시적으로 설명되고 이에 제한되지 않으 며, 도면에서 같은 참조 번호는 유사한 요소를 나타낸다.The invention is illustrated by way of example and not by way of limitation in the figures of the accompanying drawings in which like reference numerals designate like elements.
도 1 은 플라즈마 프로세싱 시스템의 간략화된 도를 도시한다.1 shows a simplified diagram of a plasma processing system.
도 2 는 TCPTM 의 간략화된 도를 도시한다.2 shows a simplified diagram of TCP ™ .
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 매칭 네트워크의 간략화된 도를 도시한다.3 shows a simplified diagram of a matching network, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 플라즈마 로드 (310) 의 간략화된 모델을 도시한다.4 shows a simplified model of a
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 인덕션 코일 전압이 실질적으로 최적화되고 안정되는 매칭 네트워크의 간략화된 전기적 도를 도시한다.5 illustrates a simplified electrical diagram of a matching network in which the induction coil voltage is substantially optimized and stabilized, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 전압 진폭이 안정한, 도 5 의 매칭 네트워크의 일부를 도시한다.FIG. 6 illustrates a portion of the matching network of FIG. 5 in which the voltage amplitude is stable, in accordance with an embodiment of the present invention.
바람직한 실시형태의 상세한 설명Detailed Description of the Preferred Embodiments
본 발명은 첨부되는 도면에서 설명되는 것과 같은 수 개의 바람직한 실시형태를 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 다음의 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 복수의 특정 세부사항이 설명된다. 그러나, 본 발명이 이 특정 세부사항들 모두 또는 그 중 일부가 없이 실시될 수도 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 다른 경우에, 공지된 프로세스 단계 및/또는 구조는 본 발명을 불필요하게 불명확하게 하지 않기 위해 상세하게 설명되지 않는다.The invention will be described in detail with reference to several preferred embodiments as described in the accompanying drawings. In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention. However, it will be apparent to one skilled in the art that the present invention may be practiced without some or all of these specific details. In other instances, well known process steps and / or structures have not been described in detail in order not to unnecessarily obscure the present invention.
이론에 의해 한정되는 것을 원하지 않으며, 인덕션 코일과 같은 RF 커플링 구조를 통과하는 전압 균형이 플라즈마 프로세싱 시스템에서 플라즈마를 최적화할 수도 있다는 것은 발명자에 의해 믿어진다. 예를 들면, 플라즈마는 인덕션 코일에 의해 생산되는 유도적으로 결합된 방위 전기장 (azimuthal electric field) 에 의해 생성될 수도 있다. 기본적으로 평면 안테나에서, 인덕션 코일은 종종 유전 윈도우의 상부에 위치한 사각 단면의 나선코일이다. 13.56 MHz 에서 안테나에 인가된 전압은 코일 주변에 진동 자기장을 생성하고, 이는 플라즈마를 관통하며 방위 전기장을 생산한다.Without wishing to be bound by theory, it is believed by the inventors that voltage balance across an RF coupling structure, such as an induction coil, may optimize the plasma in a plasma processing system. For example, the plasma may be generated by an inductively coupled azimuthal electric field produced by the induction coil. Basically in a planar antenna, the induction coil is often a square coil spiral coil located on top of the dielectric window. The voltage applied to the antenna at 13.56 MHz creates a vibrating magnetic field around the coil, which penetrates the plasma and produces a counter electric field.
이상적인 플라즈마 프로세싱 시스템에서, 방위 전기장은 축상에서 영 (zero) 이며 면상에서 영이고, 이에 의해 대략 반지름의 반정도인 환상의 영역 (annular region) 에서 피크 값을 갖는다. 꼼꼼히 설계된 플라즈마 프로세싱 시스템에서, 코일로부터 플라즈마로 용량적으로 결합된 전력의 비는 작을 수 있고, 이에 의해 무선 주파수 사이클 동안 뚜렷하게 진동하지 않는 플라즈마 퍼텐셜이 생성된다. 전술한 바와 같이, 이온 에너지는 RF 포텐셜을 독립적으로 인가함으로써 제어되고 기판에서 바이어스를 생성할 수 있다.In an ideal plasma processing system, the azimuth electric field is zero in axial and zero in plane, thereby having a peak value in an annular region that is approximately half the radius. In a carefully designed plasma processing system, the ratio of capacitively coupled power from the coil to the plasma can be small, thereby creating a plasma potential that does not vibrate vividly during radio frequency cycles. As mentioned above, ion energy can be controlled by independently applying RF potential and create a bias in the substrate.
그러나, 기판이 프로세싱되고 플라즈마가 소비될 때 매칭 네트워크의 플라즈마 로드가 변화할 수도 있고, 플라즈마 프로세싱 시스템의 제조시 매칭 네트워크가 예상되는 플라즈마 로드를 위해 최적화될 수도 있기 때문에, 기판의 프로세싱 동안 인덕션 코일을 지나는 실제의 전압 균형은 프로세스 조건 또는 변화하는 조건의 넓은 범위에 대해 최선이 아닐 수도 있다. 결과적인 전기장은 방사상 변형이 될 수도 있고 이는 잠재적으로 수율에 영향을 주면서, 실질적으로 기판을 가로지르는 비균일 플라즈마 밀도를 야기할 수도 있다. However, since the plasma load of the matching network may change when the substrate is processed and the plasma is consumed, and the matching network may be optimized for the expected plasma load in the fabrication of the plasma processing system, the induction coil may be removed during processing of the substrate. The actual voltage balance that passes may not be optimal for a wide range of process conditions or changing conditions. The resulting electric field may be radially deformed, which may result in non-uniform plasma density substantially across the substrate, potentially affecting yield.
이 조건은 고밀도 회로에 대한 요구가 계속적으로 증가함에 따라 더욱더 문제가 된다. 예를 들면, 플라즈마 에칭 프로세스에서, 만약 플라즈마가 적절히 최적화되지 않는다면, 패싯팅 (faceting) 이 일어날 수도 있다. 패싯 (facet) 은 트랜치 측면과 같은, 기판상 모양의 비선형 윤곽이다. 저밀도 플라즈마의 영역은 기판으로부터 충분한 양의 재료를 제거하지 못할 수도 있고, 실질적으로 트렌치 또는 비아 (via) 의 사이즈를 감소시킨다. 또한, 고밀도 플라즈마의 영역이 기판으로부터 여분의 재료를 제거할 수도 있고 실질적으로 공동 (空洞) 의 언더컷을 생성한다.This condition becomes even more problematic as the demand for high density circuits continues to increase. For example, in a plasma etching process, faceting may occur if the plasma is not properly optimized. Facets are nonlinear contours on a substrate, such as trench sides. Areas of low density plasma may not remove a sufficient amount of material from the substrate and substantially reduce the size of the trench or via. In addition, areas of high density plasma may remove excess material from the substrate and create a substantially undercut of the cavity.
도 3 을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따라 매칭 네트워크의 간략화된 도가 도시된다. 일반적으로, 전압 프로브와 같은, 인덕션 코일에 결합된 전기적 측정 디바이스를 통해 전압과 같은, 전기적 특징을 측정하는 것은 전달되는 전력 또는 임피던스를 추정하기 위한 충분한 정보를 제공하지 않을 수도 있다. 실질적으로, 불분명한 방식으로, 매치 네트워크의 모델이 개발되어 매칭 네트워크 세팅으로부터의 로드 임피던스를 예상했었다. 코일 상의 전압을 알기 때문에, 추정된 로드 임피던스로부터, 전달되는 전력이 계산될 수도 있다. 이 방식으로 추정된, 전력의 값은 약 9 % 의 오차가 있다.Referring to FIG. 3, a simplified diagram of a matching network is shown in accordance with one embodiment of the present invention. In general, measuring electrical characteristics, such as voltage, through an electrical measurement device coupled to an induction coil, such as a voltage probe, may not provide sufficient information to estimate the power or impedance delivered. Indeed, in an unclear way, a model of a match network has been developed to anticipate the load impedance from the match network setting. Since the voltage on the coil is known, the delivered power may be calculated from the estimated load impedance. Estimated in this way, the value of power has an error of about 9%.
매칭 네트워크 (332) 의 상세한 모델은 진공 커패시터와 같은, 가시 요소뿐만 아니라 구성요소들 간 모든 커넥션의 인덕턴스도 포함할 수 있다. 이 커넥 션을 흐르는 전류는, 특히 매치 네트워크 인클로저의 벽에서, 다른 전류를 유도한다. 이 유도 전류는 RF 생성기로 돌아가는 복소 전류의 일부를 형성한다. 벽에서의 저항 손실은 매치 네트워크의 유효 저항에 기여한다.The detailed model of the
그러나, 이러한 모델은 매우 복잡하고 많은 수의 요소를 포함할 수 있고, 각각의 정량화를 어렵게 한다. 더 간단한 접근은 럼프 요소 (lumped components) 의 세트만을 포함하는 매칭 네트워크를 모델링한다. 예를 들면, 인덕터 (331) 는 가변 커패시터 (C1 및 C3) 사이의 커넥션에 대응하고 이는 약 15 인치의 길이일 수도 있다. 약 100 nH 의 인던턱스를 갖는 것으로 가정된다. 잔여 커넥션은 단지 수 인치일 뿐이고 무시된다. C3 외의 모든 요소는 플라즈마 로드 (310; 예를 들면, 인덕션 코일, 플라즈마, 기판 등) 의 일부로 간주된다. TCPTM 코일의 단부를 연결하는 리드 (303a-b) 는 함께, 약 12 인치이고, 로드 임피던스의 일부이다.However, this model is very complex and can contain a large number of elements, making each quantification difficult. A simpler approach models a matching network that includes only a set of lumped components. For example, inductor 331 corresponds to the connection between variable capacitors C1 and C3, which may be about 15 inches long. It is assumed to have an inductance of about 100 nH. The remaining connections are only a few inches long and are ignored. All elements other than C3 are considered part of the plasma rod 310 (e.g., induction coil, plasma, substrate, etc.). Leads 303a-b connecting the ends of the TCP ™ coils together are about 12 inches and are part of the load impedance.
각각의 진공 커패시터는 약 20 nH 의 고유 직렬 인덕턴스를 가질 수도 있으나, 이들이 명확히 포함되지는 않는다. 커패시터들이 1 kHz 의 주파수에서 교정 (calibrate) 되고, 단지 13.56 MHz 의 개시 주파수에서 단지 겨우 식별가능할 때 이 직렬 인덕턴스는 검출되지 않는다. 네트워크 하우징에 유도된 전류는 인덕션을 야기하는 구성 요소의 유효 인덕턴스를 감소시킨다. 이는 데이터에 가장 잘 부합하는 인덕턴스의 경험적 선택에 의해 고려될 수 있다.Each vacuum capacitor may have a unique series inductance of about 20 nH, but these are not explicitly included. This series inductance is not detected when the capacitors are calibrated at a frequency of 1 kHz and only barely identifiable at a starting frequency of 13.56 MHz. Current induced in the network housing reduces the effective inductance of the component causing induction. This can be considered by the empirical choice of inductance that best fits the data.
커패시터 세팅으로부터 로드 임피던스를 계산하는데 공액 임피던스 방법 (conjugate impedance method) 이 사용될 수 있도록, 매치 네트워크의 저항은 작다고 가정한다. 커패시터 (C1 및 C3) 는 카운트에 대하여 교정되고 통상적인 교정 곡선이 도시되며, 이로부터 용량이 용이하게 판단될 수 있다. 그 값들은 이 특정 네트워크에서 약 28 pF 내지 480 pF 일 수도 있다. 커패시터 (C2 및 C4) 는 2000 mm STAR 구성에 대응하는 표준 값인 102 및 80 pF 로 고정된다. The resistance of the match network is assumed to be small so that the conjugate impedance method can be used to calculate the load impedance from the capacitor setting. Capacitors C1 and C3 are calibrated against the count and a typical calibration curve is shown, from which capacity can be easily determined. The values may be between about 28 pF and 480 pF in this particular network. Capacitors C2 and C4 are fixed at 102 and 80 pF, the standard values corresponding to a 2000 mm STAR configuration.
V3 및 V4 는 RF 전압 프로브와 같은, 교대로 플라즈마 챔버에 유도 RF 전력을 공급하는 인덕션 코일의 각 단부 근처에 위치한, 전기적 측정 디바이스이다. 전기적 측정 디바이스 (V3) 는 매칭 네트워크와 인덕션 코일 사이의, 제 1 전압을 측정할 수도 있고, 전기적 측정 디바이스 (V4) 는 로드와 종단 커패시터 (C4) 사이의 제 2 전압을 측정한다. 일 실시형태에서, 전기적 측정 디바이스는 RF 전압 피크 검출기와 설계가 유사하다. 일반적으로, 전압 프로브는 RF 전압을 5kV (피크) 만큼 허용하고 아크 또는 다른 방전 없이 측정된다. 일반적으로 프로브들의 절대적인 정확도는 약 200V 에서 약 5kV 까지 약 3% 로 산출된다.V3 and V4 are electrical measurement devices, such as RF voltage probes, located near each end of an induction coil that alternately supplies induced RF power to the plasma chamber. The electrical measuring device V3 may measure a first voltage between the matching network and the induction coil, and the electrical measuring device V4 measures the second voltage between the load and the termination capacitor C4. In one embodiment, the electrical measurement device is similar in design to the RF voltage peak detector. In general, voltage probes allow RF voltage by 5 kV (peak) and are measured without an arc or other discharge. In general, the absolute accuracy of the probes is about 3% from about 200V to about 5kV.
도 4 를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 코일 및 플라즈마 로드 (310) 의 간략화된 모델이 도시된다. 일반적으로, 코일 및 플라즈마 로드 (310) 는 V3 와 V4 (예를 들어, 인덕션 코일, 플라즈마, 기판 등) 사이에 전기적으로 위치되는 플라즈마 프로세싱 시스템 요소를 포함한다. 매칭 네트워크와 같이, 코일 및 플라즈마 로드 (310) 는 플라즈마의 코어 전력 손실을 제공하는 병렬 저항 (408), 및 병렬 인덕턴스 (404) 를 포함하는 트랜스포머 회로로 모델링될 수도 있고, 이는 자속의 플라즈마로의 결합을 설명한다.Referring to FIG. 4, a simplified model of a coil and
도 5 를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 인덕션 코일 전압이 실질적으로 최적화되고 안정화된 매칭 네트워크의 간략화된 전기적 도가 도시된다. 자명하지는 않은 방법으로, 제 1 전압 대 제 2 전압의 비를 조절하기 위해, 피드백 회로는 V3 와 V4 사이에, 가변 저항과 같은, 보상 회로 C5 와 함께, 결합된다.Referring to FIG. 5, in accordance with one embodiment of the present invention, a simplified electrical diagram of a matching network in which the induction coil voltage is substantially optimized and stabilized is shown. In a non-obvious manner, in order to adjust the ratio of the first voltage to the second voltage, a feedback circuit is coupled between compensation circuit C5, such as a variable resistor, between V3 and V4.
도 3 에 따라, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 럼프 구성요소의 세트로서의 간략화된 매칭 네트워크 모델이 도시된다. 인덕터 (331) 는 C1 과 C3 사이의 커넥션에 대응한다. C3 외의 모든 요소는 코일 및 플라즈마 로드 (310; 예를 들면, 인덕션 코일, 플라즈마, 기판 등) 의 일부로 간주된다. TCPTM 코일의 단부와 연결된 리드 (303a-b) 는 로드 임피던스의 일부이다. V3 및 V4 는, 교대로 플라즈마 챔버에 유도 RF 전력을 공급하는 인덕션 코일의 각 단부 근처에 위치된다. V3 는 매칭 네트워크와 인덕션 코일 사이의 제 1 전압을 측정하고, V4 는 로드와 종단 커패시터 (C5) 사이의 제 2 전압을 측정한다.According to FIG. 3, a simplified matching network model as a set of lumped components, in accordance with an embodiment of the present invention, is shown. Inductor 331 corresponds to the connection between C1 and C3. All elements other than C3 are considered part of the coil and plasma rod 310 (eg, induction coil, plasma, substrate, etc.). Connected to the end of the TCP TM coil Leads 303a-b are part of the load impedance. V3 and V4 are located near each end of the induction coil which in turn supplies inductive RF power to the plasma chamber. V3 measures the first voltage between the matching network and the induction coil, and V4 measures the second voltage between the load and the termination capacitor C5.
피드백 회로 (502) 는 전방향 경로 (504), 피드백 경로 (506) 를 포함하는 신호 경로를 포함하는 회로이며, 커패시터 (C5) 에 결합된다. 자명하지는 않은 방법으로, 기판이 프로세싱되고 플라즈마가 소비될 때, 피드백 회로 (502) 는 실질적으로 동적 방법으로, 인덕션 코일 전압을 최적화한다. 일 실시형태에서, C5 가 자동화된다. 이때 다른 실시형태에서, 피드백 회로 (502) 는 제 1 전압 및 제 2 전압을 실질적으로 안정하게 유지하기 위해 기판 프로세싱시 C5 를 조절할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 피드백 회로는 에치 균일성 조율과 같은, 플라즈 마 프로세싱 이득을 제공하기 위해 제 1 전압 대 제 2 전압의 비를 임의의 원하는 값 (K) 으로 조절할 수 있다. 본 발명의 다른 측면에서, 비 (K) 의 바람직한 범위는 약 0.5 와 약 1.5 사이이다. 본 발명의 다른 측면에서, 비 (K) 의 더욱 바람직한 범위는 약 0.75 와 약 1.25 사이이다. 본 발명의 다른 측면에서, 비 (K) 의 가장 바람직한 범위는 약 1 이다.The
도 6 을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 전압 증폭이 균형적인 도 5 의 매칭 네트워크의 일부가 도시된다. 이론에 의해 제한되는 것을 원치 않으며, 최적 균형 구성은 제 2 전압의 위상이 제 1 전압에 대해 180°라는 것이 여기에서 발명자에 의해 믿어진다. 일반적으로, 두 RF 전력의 전압 위상이 거의 동일할 때, 플라즈마가 스프레드 되고, 밀도와 프로세스 속도가 감소한다. 그러나, 전압 위상차가 약 180 도일 때, 플라즈마 밀도는 실질적으로 높아진다.With reference to FIG. 6, shown in FIG. 5 is a portion of the matching network of FIG. 5 in which voltage amplification is balanced. Without wishing to be bound by theory, it is believed here by the inventor that the optimum balance configuration is 180 ° with respect to the first voltage. In general, when the voltage phases of the two RF powers are approximately equal, the plasma spreads and the density and process speed decrease. However, when the voltage phase difference is about 180 degrees, the plasma density becomes substantially higher.
전술한 바와 같이, 전송 라인 종단으로부터의 관점에서, 매칭 네트워크 (332) 는 플라즈마의 복소 임피던스를 약 안정한 50 옴 및 약 13.56 MHz 의 주파수로 변환한다. 코일 및 플라즈마 로드 (310) 가 최적화되는 것을 보장하기 위해 피드백 회로 (502) 는 피드백 경로 (506) 를 통해 V3 및 V4 에서 전압을 모니터하고, C5 를 조절하며, V3 에서의 전압 값은 실질적으로 V4 에서의 전압 값과 동일하고, 위상 (604) 에 대해 약 180°인 위상 (602) 을 갖는다. 또한 다른 실시형태에서, 피드백 회로 (502) 는 진단 모니터링 장치에 결합된다. 예를 들면, 만약 측정된 전압 또는 임피던스 값이 소정의 프로세스 범위 밖으로 떨어지면, 추가되는 조사를 위해 경고 메시지가 예방 유지 시스템으로 송신될 수도 있다.As mentioned above, from the viewpoint of the transmission line termination, the
본 발명이 수 개의 바람직한 실시형태로 설명되었지만, 본 발명의 범위 내에 해당하는 변형, 치환, 및 균등물이 존재한다. 예를 들면, 본 발명이 램 리서치 플라즈마 프로세싱 시스템 (예를 들어, ExelanTM, ExelanTM HP, ExelanTM HPT, 2300TM, VersysTM Star 등) 과 연계하여 설명되었지만, 다른 플라즈마 프로세싱 시스템이 사용될 수도 있다. 또한 본 발명은 다양한 지름 (예를 들면, 200 mm, 300 mm 등) 의 기판으로 사용될 수도 있다. 또한, 가변 인덕터 등과 같은, 다른 전기적 구성요소가 가변 커패시터의 자리에 사용될 수도 있다. 또한, 여기에 설명되는, 전기적 측정 디바이스가 전압이 아닌, 전류, 임피던스 등과 같은 전기적 특징들을 측정할 수도 있다. 또한 본 발명의 방법을 구현하는 많은 방법이 존재한다.Although the invention has been described in several preferred embodiments, there are variations, substitutions, and equivalents falling within the scope of the invention. For example, the present invention may be used in a ram research plasma processing system (e.g., Exelan ™ , Exelan ™ HP, Exelan ™ Although described in conjunction with HPT, 2300 ™ , Versys ™ Star, etc., other plasma processing systems may be used. The invention may also be used as substrates of various diameters (eg, 200 mm, 300 mm, etc.). In addition, other electrical components, such as a variable inductor, may be used in place of the variable capacitor. In addition, the electrical measurement device described herein may measure electrical characteristics such as current, impedance, etc., but not voltage. There are also many ways of implementing the methods of the present invention.
본 발명의 이점은 플라즈마 프로세싱 시스템에서 기판을 최적화하는 방법 및 장치를 포함한다. 추가적인 이점은 플라즈마 프로세스 전반에 걸쳐 플라즈마 밀도를 최적화하고 예방 유지를 위한 진단 정보를 제공하는 것을 포함한다.Advantages of the present invention include methods and apparatus for optimizing a substrate in a plasma processing system. Additional advantages include optimizing plasma density throughout the plasma process and providing diagnostic information for preventive maintenance.
개시된 예시적인 실시형태 및 최상의 모드와 함께, 수정과 변형이 다음의 청구항에 의해 정의되는 본 발명의 목적 및 범위 내에 존재하는 개시된 실시형태로 이루어질 수도 있다. In addition to the disclosed exemplary embodiments and best modes, modifications and variations may be made to the disclosed embodiments that fall within the spirit and scope of the invention as defined by the following claims.
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